AULA_CICLONE_2015

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CICLONES
Ref. Giulio Massarani, Fluidodinâmica em sistemas particulados, 2002
✓Os ciclones são amplamente usados como separador sólido-gás 
✓ Utiliza-se da força centrífuga para promover a separação das 
partículas 
✓estrutura é simples 
✓ baixo custo de operação 
✓ adaptados em operações de condições extremas como: altas 
pressões, altas temperaturas e gases corrosivos, desde que usado 
o material apropriado na sua construção
✓Os parâmetros geométricos e operacionais dos 
ciclones são calculados por meio de equações de 
projeto → a eficiência de coleta, queda de pressão e 
vazão volumétrica podem ser calculados facilmente.
✓Fatores que influenciam o funcionamento de um ciclone: 
!
• Diâmetro das partículas: o ciclone não é muito eficiente para 
partículas menores que 0,05 mm; 
!
• Velocidade do gás que entra no ciclone: quanto maior a 
velocidade que o gás entra no ciclone, mais partículas finas são 
removidas; 
!
•Viscosidade do gás.
✓A produção de areia -problema técnico-econômico 
crítico na produção de óleo e gás - mesmo em vazões 
relativamente baixas, sólidos podem causar 
consideráveis problemas nos sistemas de produção 
como, por exemplo, severas erosões nas válvulas e 
linhas 
!
✓Os separadores ciclônicos são amplamente usados 
para remoção de partículas do ar ou de gases de 
processos.
✓ Utilizados também como reator químico, trocador de 
calor, para secagem de materiais granulares e combustão 
de óleo. 
!
✓ Em refinarias de petróleo, ele é utilizado para 
assegurar a continuidade do processo para obtenção da 
gasolina, retendo o catalisador impedindo sua emissão 
para a atmosfera, evitando a perda e o efeito poluente 
O ciclone é composto por uma 
parte cilíndrica e outra cônica, que 
juntas formam o corpo do ciclone. 
A entrada do ciclone é usualmente 
tangencial à parede da parte 
cilíndrica próxima ao topo. O tubo 
de saída do gás, é fixo na parte 
superior do ciclone. 
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
Nos ciclones, o gás (fluido) carregado de partículas entra 
tangencialmente na câmara cilíndrica em alta velocidade 
(geralmente entre 6 e 20 m/s) e sai por uma abertura central.
http://www.youtube.com/watch?v=TJ_I8Sx8T38&feature=related
✓ A suspensão gás-sólido entra no 
ciclone por uma entrada tangencial e 
inicia um escoamento giratório na 
seção anular compreendida entre o 
tubo de saída do gás e o corpo do 
ciclone 
✓a trajetória das partículas sólidas será 
determinada pelo balanço de forças 
resultantes entre a força peso (atuando 
sobre as partículas) e a força de arraste 
(do movimento do gás), além de sua 
própria inércia, ou seja, devido ao 
impulso que a partícula já possui em 
função de sua massa e velocidade de 
entrada. 
!
✓Assim, as partículas sólidas se 
movimentam em direção às paredes do 
ciclone devido à sua própria inércia. 
Dentro do ciclone as partículas experimentam na direção 
radial dois tipos de forças opostas: a força centrífuga e de 
arraste. A força centrífuga tende a empurrar partículas 
para as paredes do ciclone enquanto a força de arraste 
age no sentido de carregar as partículas junto com o gás 
na saída de topo do ciclone. Essas forças dependem do 
raio de rotação e do tamanho das partículas.
Nas condições de operação comumente empregadas, a 
força centrífuga de separação pode ir de 5 (nos ciclones 
de diâmetro muito grande e pequena resistência) a 2.500 
vezes a força gravitacional (em unidades muito pequenas, 
de alta resistência). Outra característica que se pode citar 
é a baixa queda de pressão neste tipo de equipamento, 
um máximo de 100 m de ar.
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
http://www.youtube.com/watch?v=OlrQuzhs9oo&feature=related
DETALHES DO EQUIPAMENTO 
FAMÍLIAS DE CICLONES 
GEOMETRICAMENTE SIMILARES
EFICIÊNCIA DE SEPARAÇÃO
A queda de eficiência total 
deve-se à turbulência de 
escoamento, que provoca o 
favorecimento da mistura pela 
ressuspensão das partículas já 
sedimentadas.
Aumentando-se a vazão diminui-se 
o tempo de residência médio das 
partículas mas, em compensação, 
aumenta-se a velocidade terminal 
destas devido ao aumento da 
velocidade angular.
O ponto máximo “A” 
parece se constante para 
diferentes ciclones. 
EFICIÊNCIA DE SEPARAÇÃO
Para ciclones geometricamente similares, pode-se 
definir uma única relação de G vs d/d50, que é 
válido para todos os ciclones desta família.
Para os ciclones do tipo Lapple, 
o modelo de eficiência segue a 
seguinte expressão:
DIMENSIONAMENTO DE CICLONES
Um dos primeiros métodos para a estimativa da eficiência 
granulométrica foi estabelecido por LAPPLE (1951). A teoria 
baseou-se num balanço de forças para a partícula quase 
estacionária, assumindo que o tempo de residência da 
partícula pode ser expresso através do número de voltas do 
gás dentro do ciclone.
Suposição: Não há rearraste, se a partícula chegou à 
parede, ela sedimenta. 
!
Hipótese: Qualquer partícula que chegou à parede 
até o final do cone é considerada separada. 
!
DIMENSIONAMENTO DE CICLONES
Especificar a Bateria de Ciclones Lapple (quantos e suas 
dimensões) para operar com 5500 ft3/min de ar a 6000C e 1 
atm contendo cinzas de carvão (densidade de 2,3g/cm3) 
A eficiência global de coleta deve ser de 80%. A análise 
granulométrica segue o modelo Log-Normal com 
parâmetros: D =15,5.10-6m e δ=2,3
Problema 6, pg. 59, do livro do Massarani (2002)1 ou pg. 71 de Massarani 
(1997)2 (supor η = 50%). Deseja-se estudar o desempenho de uma bateria 
constituída por 2 ciclones Lapple em série com respectivamente 63,6 cm e 45 
cm de diâmetro no tratamento de 27,7 m3/min de gás contendo 3% em 
volume de sólido. 
Propriedades do gás: densidade 1,1x10-3 g/cm3 e viscosidade 1,7x10-2 cP; 
➔Propriedades das partículas sólidas: densidade 2,5 g/cm3 e distribuição granulométrica dada por: 
 
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Pede-se: 
a) A eficiência global de coleta do sistema. 
b) A potência do soprador para o serviço.